蒸气压缩式制冷循环原理

蒸气压缩式制冷循环原理第一节逆向可逆循环正向循环——动力循环逆向循环——制冷循环可逆循环：是一种理想循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的各种损失。不可逆循环：在工质循环过程中考虑了上述各种损失。不可逆损失主要是指制冷剂在流动和状态变化时因内部摩擦、不平衡等因素引起的内部不可逆损失，以及冷凝器、蒸发器等换热器存在传热温差的外部不可逆损失。一、逆卡诺循环实现逆卡诺循环必须具备的条件：（1）高、低温热源温度恒定；（2）工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间无传热温差；（3）工质流经各个设备时无内部不可逆损失；（4）作为实现逆卡诺循环的必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器。逆卡诺循环示意图TTTabS2143k0绝热压缩等温冷凝绝热膨胀等温蒸发逆卡诺循环的热量和功量0k3412STTTba在每个制冷循环中，1kg的制冷剂：从低温热源吸热q0=T0(Sa－Sb)面积4ab14向低温热源放热qk=Tk(Sa－Sb)面积3ab23压缩机的净功wc=qk－q0=(Tk－T0)(Sa－Sb)面积12341绝热压缩过程外界输入功w面积123041绝热膨胀过程膨胀机输出功we面积3043外界输给压缩机的净功wc＝w－we面积12341两者相等q0qkwc0we00cck0qTwTT衡量制冷循环经济性能的指标：制冷系数（COP）制冷系数仅与高、低温热源的温度有关，而与制冷剂的热物理性能无关。通过对εc分别求T0和Tk的偏导数，可以得知T0和Tk对εc的影响是不等价的，并且T0的影响大于Tk。TTTabS2143k01'2'3'4'kT'T'0TkT0冷凝器和蒸发器的传热温差分别△Tk和△T0时000000''('')()cckkkTTTTTTTTT表明具有传热温差的不可逆循环的制冷系数，总小于相同冷热源温度时的逆卡诺循环制冷系数，而且随传热温差△T0和△Tk的增大而降低。蒸发器传热温差△T0对制冷系数的影响大于冷凝器传热温差△Tk。相同冷热源温度时，实际循环和逆卡诺循环制冷系数的比值，可用来表示实际循环的热力完善度。cc'1高、低温热源温度和传热温差对制冷系数和热力完善度的影响高温热源温度tk’低温热源温度t0’冷凝器△tk蒸发器△t0逆卡诺循环有温差的逆卡诺循环热力完善度30-5007.66－140-5005.96－140+5007.94－140+555－6.070.761010－4.870.61105－5.460.69二、变温热源的逆向循环图1.4恒温热源逆向循环冷却介质被冷却介质冷却介质被冷却介质图1.5变温热源逆向循环单一物质制冷剂无法实现变温逆向循环，非共沸混合制冷剂可以实现。三、热泵的应用逆向循环可以用来制冷，也可以用来供热，或者冷、热同时使用。用来制冷的逆向循环装置，称为制冷装置；用来供热时则称为热泵装置。供热系数：c0kkcccck0wqqT11wwTT例：有一台冷暖两用的热泵型空调器，假设其按照逆卡诺循环运行，压缩机的净功率是1030W，夏季的制冷量为3200W，问制冷系数为多少？在冬季运行时，制热量和供热系数各为多少？ε＝3.11qk=4230W，μc=4.11第二节理论制冷循环TPTabS2143wqk000P0Tk三种制冷循环过程在T-S图上的表示3'4'T'kT'0dcTS01'2'4T30Tk12逆卡诺循环1’2’3’4’1’具有温差的逆卡诺循环1”2”34”1”理论制冷循环123415wq0201qbwePab214kP0理论制冷循环与逆卡诺循环（理想制冷循环）的区别：1．在冷凝器和蒸发器中，制冷剂按等压过程循环，而且具有传热温差；2．制冷剂用膨胀阀绝热节流，而非膨胀机绝热膨胀；3．压缩机吸入饱和蒸气，而不是湿蒸气。一、用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失为什么要用膨胀阀代替膨胀机？代替之后有什么影响呢？ewbq0102qwcd0T'kT'54'43'2'21'1kT0P00k3412SbaTPT损失膨胀功we=h3－h4’’面积34”03减少制冷量△q01=h4－h4”面积4”4bc4”因为绝热节流过程前、后焓值不变，即h3=h4所以we=△q01这表明制冷剂在绝热膨胀中的作功能力全部用来克服绝热节流过程中的各种阻力损失，而这些损失最终转化为热量，被流过膨胀阀的制冷剂吸收，使部分制冷剂汽化，增加了干度，降低了湿蒸气中的液体含量，减少了其制冷能力，此损失称为制冷剂通过膨胀阀的节流损失。影响节流损失大小的因素（Tk－T0）取决于制冷循环工况饱和液体线的斜率取决于液态制冷剂的物性比热制冷剂节流后的干度取决于其潜热用膨胀阀代替膨胀机后，增加了we，损失了△q01，这使制冷系数和热力完善度下降。二、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失为什么要用干压缩代替湿压缩在制冷压缩机的实际运行中，若气缸吸入湿蒸气，会引起液击现象，损坏压缩机的阀片和其他零部件。过量的液体制冷剂进入高温的气缸后，会发生强烈的热交换而迅速汽化，占有气缸容积，使吸气量减少，制冷量下降。ewbq0102qwcd0T'kT'54'43'2'21'1kT0P00k3412SbaTPT干压缩代替湿压缩后的影响增加制冷量△q02=h1－h1”面积1”1ad1增加耗功量△wb面积122”1”1饱和损失面积522”5第三节液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响q03c31'4'kT0P000kqw3'42'SbaTPT一、液体过冷对制冷循环的影响T3称为过冷温度；（Tk－T3）称为过冷度；增加制冷量△q03，其随T3的降低而增加；压缩机耗功量不变；制冷系数增加。二、吸气过热对制冷循环的影响2Tw04qd21'1T4'kT0P000kqw3'12'SbaTPTT1称为吸气过热温度；（T1－T0）称为过热度；增加制冷量△q04；增加压缩机耗功量△w；制冷系数是否提高取决于是否。wqwq004有效过热：在蒸发器中发生，其增加的制冷量为有效制冷量；有害过热：在压缩机吸气管中因吸收环境空气中的热量而产生的吸气过热，其必使制冷系数下降；因此压缩机的吸气管应具有良好的隔热措施，尽量减少制冷剂的有害过热。吸气过热度增加，排气温度也随之上升，这将使润滑油的粘度变稀，影响摩擦件的润滑，损坏机件，并使润滑油炭化，阀片表面积炭，影响阀片的启闭和压缩机的正常运行。因此，吸气过热即使对制冷系数有利的制冷剂，它的过热度也应控制在一定范围之内。适当增加吸气过热度能使润滑油较顺利地返回压缩机，并能进一步防止在气缸中发生液击现象。因此，即使对于吸气过热会降低制冷系数的制冷剂，仍然应保持一定的过热度。对于增大吸气过热度会使制冷系数下降的制冷剂，其过热度应控制在较小范围之内，如氨一般控制在3～5℃；对于增大吸气过热度能提高制冷系数的制冷剂，其过热度范围可以大一些，如R12等一般控制在10～40℃之内。三、回热制冷循环qqdc321'4'kT0P000kqw3'412'SbaTPT00制冷剂液体过冷和吸气过热，是利用流出蒸发器的低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热交换器的传热过程而产生的。回热循环特别适用于增加吸气过热度能提高其循环制冷系数、以及绝热指数较小，绝热压缩后排气温度较低的制冷剂，如R12（K=1.136）、R22、R502。对氨（K=1.310）、R11等，因为绝热指数较大，提高过热度后会降低其制冷系数，所以不采用回热循环。4'1'23cdq00qTPTabS2'143'wqk000P0Tk热交换器中的热量平衡C(T3’－T3)＝C’(T1－T1’)面积1’1cd1’等于面积44’ab4由于液体比热C总大于气体比热C’，所以液体温度的降低总小于吸气温度的提高。第四节理论制冷循环的热力计算一、制冷剂的压-焓图（lgP-h图）lgPh0xx=0x=1tvsctP过冷液体区湿蒸气区过热蒸气区饱和液体线干饱和蒸气线等压线等焓线等温线等比容线等熵线等干度线二、热力计算TPTabS2143wqk000P0Tk0PkPlgPhhhh=h2134v1t2tkt0tkt00qqkw12341－2为绝热压缩过程，2－3为等压冷凝过程，3－4为绝热节流过程，4－1为等压蒸发过程。0PkPlgPhhhh=h2134v1t2tkt0tkt00qqkw1234制冷剂在蒸发器中的单位质量制冷量q0＝h1－h4(kJ/kg)制冷剂在冷凝器中的单位质量放热量qk＝h2－h3(kJ/kg)压缩机的单位质量绝热压缩耗功量w＝h2－h1(kJ/kg)制冷剂的单位容积制冷量：(kJ/m3)若已知总制冷量为Q0(kW)，则制冷剂的质量循环量：(kg/s)压缩机的吸气体积流量：(m3/s)10vvqq00qQMrv01rrqQvMV冷凝器的热负荷：Qk=Mrqk(kW)压缩机的理论耗功量：N=Mrw(kW)理论制冷系数：124100hhhhwqNQ例1.1理论循环A工况：tk＝35℃，t0＝0℃；B工况：tk＝40℃，t0＝0℃；C工况：tk＝40℃，t0＝－5℃。1234tk＝35℃，t0＝0℃参数冷凝蒸发h1(kJ/kg)h2(kJ/kg)h3=h4(kJ/kg)制冷系数tk(℃)Pk(MPa)t0(℃)Pk(MPa)A工况351.3500.498405.4430243.16.60B工况401.5300.498405.4433249.75.64C工况401.53－50.421403.5437249.74.591421hhhh例1.2过冷循环和吸气过热循环A工况：tk＝40℃，t0＝0℃；B工况：tk＝40℃，t0＝0℃，过冷温度t3＝35℃;C工况：tk＝40℃，t0＝0℃，吸气过热温度t1＝5℃。1234tk＝40℃，t0＝0℃，t3＝35℃1234tk＝40℃，t0＝0℃，t1＝5℃参数冷凝蒸发h1(kJ/kg)h2(kJ/kg)h3=h4(kJ/kg)制冷系数tk(℃)Pk(MPa)t0(℃)Pk(MPa)A工况401.5300.498405.4433249.75.64B工况401.5300.498405.4433243.15.87C工况401.5300.498411.1440.4249.75.511421hhhh例1.3回热循环工况：tk＝30℃，t0＝－15℃，t1’＝5℃；制冷剂：R12、R717。1’2’3’4tk＝30℃，t0＝－15℃，t1’＝5℃q0qk1324’例1.4过冷过热循环总制冷量Q0＝40kW工况：tk＝40℃，t0＝5℃，tu＝40℃，t1＝0℃；制冷剂：R12、R22、R717。1234tk＝40℃，t0＝5℃，tu＝35℃，t1＝10℃q0qk第五节制冷剂和载冷剂基本要求：1．制冷剂对蒸气压缩式制冷系统的组成及运行经济性有很大的影响，应从热力学、物理化学、安全性等方面了解对制冷剂的要求。2．目前常用的制冷剂有R717、R22、R134a等，应熟悉这些制冷剂的主要性质及使用时应注意的事项。3．了解载冷剂的种类、使用场合及选择方法。蒸发器冷凝器冷却介质压缩机节流阀空调末端被冷却介质被冷却介质泵直接冷却间接冷却制冷剂载冷剂制冷剂制冷剂又称制冷工质，它是在制冷系统中完成制冷循环的工作介质。制冷剂在蒸发器内汽化吸收被冷却介质的热量而制冷，又在冷凝器中把热量放给周围介质，重新成为液态制冷剂，不断进行制冷循环。一、对制冷剂的要求（1）冷凝压力不太高，蒸发压力不低于大气压力，冷凝压力和蒸发压力之比不要过大；（2）单位容积制冷量要大；（3）临界温度要高，凝固温度要低；（4）粘度和密度要小；（5）导热系数大；（6）无腐蚀性，不起化学作用，高温下不分解；（7）无害，不燃烧和爆炸；（8）易于取得，价廉。二、制冷剂的种类1．无机化合物氨和水是目前常用的制冷剂。无机化合物类制冷剂的代号中，“R”后的第一位数字为7，后面的数字是该物质分子量的整数部分。2．氟利昂氟利昂是饱和碳氢化合物的卤族衍生物的总称，目前用作制冷剂的主要是甲烷和乙烷的衍生物